JP2012023857A - レクテナ及びこれを用いた受電システム - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナに入射したマイクロ波がアンテナから再放射することを抑制しつつ、整流回路の故障を自動で検知することのできるレクテナ及びこれを用いた受電システムを提供する。
【解決手段】マイクロ波を受信する受信手段(20)と、受信手段で受信したマイクロ波を整流する第１及び第２整流回路(34,36)と、受信手段と第１整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、受信手段と第２整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されたハイブリッド回路(22)とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、レクテナ及びこれを用いた受電システムに係り、詳しくはマイクロ波を受信して整流し、直流電力に変換するレクテナ及びこれを用いた受電システムに関するものである。

従来、アンテナで受信したマイクロ波を直流電力（以下、ＤＣ電力）に変換するレクテナ装置が知られており、様々な検討がなされている（非特許文献１参照）。このようなレクテナ装置は、近年検討されている宇宙太陽光発電システム等への利用が期待されている。
宇宙太陽光発電システムとは、人工衛星に搭載した太陽電池パネルで太陽光を集光し、そこで発電した電力をマイクロ波に変換して地上へ送信し、地上で受信したマイクロ波を電力に変換して商用電力として利用するものである。この宇宙太陽光発電システムで使用するレクテナ装置は、マイクロ波が照射される領域に多数のレクテナ、例えば数億個のレクテナを配列し、各レクテナからのＤＣ電力を集電することにより大電力を得ることができる。ここで、マイクロ波の伝送に使用される周波数帯は、２．４５ＧＨｚ帯または５．８ＧＨｚ帯である。

従来のレクテナは、図４に示すように、マイクロ波を受信するアンテナ５０と、高調波を遮断する入力フィルタ５２と、マイクロ波を整流する整流回路５４と、整流回路５４で整流されたマイクロ波をＤＣ電力に変換する出力フィルタ５６とから構成される。
このように構成されたレクテナでは、整流回路５４としてダイオードが一般的に使用されるが、整流回路５４ではダイオードの非線形性による高調波が発生するため、入力フィルタ５２で高調波を遮断することによりアンテナ５０から高調波が再放射されることを防止している。また、出力フィルタ５６では２．４５ＧＨｚ帯または５．８ＧＨｚ帯の基本波及び整流回路５４で発生した高調波を遮断することにより、ＤＣ電力の出力側に放射されることを防止している。
そしてレクテナ装置は、整流回路を直列または並列に接続することにより、所望のＤＣ電力を取得することが可能となる。

James Oliver Mcspadden, "Rectifying and Oscillating Integrated Antennas", Texas A&M University, August 1998

一方、アンテナ５０から入力された基本波の一部が入力フィルタ５２や整流回路５４で反射されることがある。
この点に関し、上述したような従来の構成では、入力フィルタ５２は基本波を通過させる必要があるため、反射された基本波がアンテナ５０から再放射されることを抑制することができないという問題がある。レクテナ装置では大電力を扱うため、反射された基本波の割合がわずかな場合でも、全体の電力が大きく、強い電磁波がアンテナから空間に再放射されるため周囲への影響が懸念され、好ましいことではない。

また、レクテナの故障の要因として、主に整流回路５４であるダイオードのオープン故障またはショート故障が挙げられ、ＤＣ電力の出力をモニタすることで故障を検出しているが、この場合に整流回路を並列接続している箇所でのオープン故障の検出ができないという問題がある。上述したように、レクテナ装置には数億個のレクテナを配列するため、故障を検知できないと受電システム全体の健全性確認が困難となり、好ましいことではない。
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、アンテナに入射したマイクロ波がアンテナから再放射することを抑制しつつ、整流回路の故障を自動で検知することのできるレクテナ及びこれを用いた受電システムを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１のレクテナは、マイクロ波を受信する受信手段と、該受信手段で受信したマイクロ波を整流する第１及び第２整流回路と、前記受信手段と前記第１及び第２整流回路との間に介装され、前記受信手段と前記第１整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、前記受信手段と前記第２整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されたハイブリッド回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２のレクテナは、請求項１において、前記ハイブリッド回路と前記第１整流回路との間に第１入力フィルタを介装するとともに、前記ハイブリッド回路と前記第２整流回路との間に第２入力フィルタを介装し、前記第１入力フィルタ及び前記第２入力フィルタは、偶数次の高調波を遮断することを特徴とする。

請求項３のレクテナは、請求項１または２において、前記ハイブリッド回路は、さらに検波回路に接続され、該検波回路と前記第２整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、該検波回路と前記第１整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されたことを特徴とする。

請求項４のレクテナを用いた受電システムは、請求項３において、単数または複数個の前記レクテナが配列されたレクテナ装置と、該レクテナ装置に接続され、前記各レクテナで変換された直流電力を集電する集電回路と、該集電回路に接続され、直流電力を交流電力に変換して商用電源網に送電するＤＣ−ＡＣ変換手段と、前記各レクテナの前記検波回路が接続されるモニタ手段とを備え、前記モニタ手段は、前記各検波回路で前記第１及び第２整流回路から反射されたマイクロ波の基本波を合成した合成波から検出した電圧値から、前記各レクテナの第１及び第２整流回路の故障を検出することを特徴とする。

請求項１のレクテナによれば、受信手段と第１整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、受信手段と第２整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されたハイブリッド回路を備える。
従って、受信手段から入力されたマイクロ波の基本波が第１整流回路と第２整流回路とにおいて反射され、第２整流回路から反射された基本波は、ハイブリッド回路を通過して受信手段端において第１整流回路から反射された基本波に対して逆位相で合成され打ち消しあうため、基本波が受信手段から再放射されることが抑制され、周囲の環境に対して電磁波の影響を抑制することができる。

また、第１整流回路及び第２整流回路で発生する高調波のうち、第２整流回路で発生した奇数次の高調波はハイブリッド回路を通過して受信手段端において、第１整流回路で発生した同次の高調波に対して逆位相となり合成されることにより打ち消しあうので、奇数次の高調波が受信手段から再放射されることを抑制することができ、周囲の環境に対して電磁波の影響を抑制することができる。

請求項２のレクテナによれば、ハイブリッド回路と第１整流回路との間に第１入力フィルタを介装し、ハイブリッド回路と第２整流回路との間に第２入力フィルタを介装し、第１入力フィルタ及び第２入力フィルタは偶数次の高調波を遮断するので、第１及び第２入力フィルタの回路構成を簡素化することができる。

請求項３のレクテナによれば、ハイブリッド回路は、さらに検波回路に接続され、検波回路と第２整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、検波回路と第１整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されているので、第１及び第２整流回路で反射された基本波がハイブリッド回路を介して検波回路に入力されて合成された合成波をＲＦ−ＤＣ変換により電圧に変換する。

即ち、第１及び第２整流回路が正常の場合は基本波の一部が反射され、第１または第２整流回路が異常の場合、基本波全体が反射されることになり、少なくとも第１及び第２整流回路のいずれか一方が異常の場合に検波回路で変換された電圧は正常の場合に比べて大きくなるので、第１及び第２整流回路の状態を電圧から判定することが可能になる。

請求項４のレクテナを用いた受電システムによれば、単数または複数個のレクテナが配列されたレクテナ装置と、各レクテナの検波回路が接続されるモニタ手段とを備え、モニタ手段は各検波回路で第１及び第２整流回路から反射された基本波を合成して検出した電圧の値から各レクテナの第１及び第２整流回路の故障を自動で検知するので、受電システムの健全性を容易に確認することができる。

本願発明に係るレクテナが設置された受電システムを含む宇宙太陽光発電システムの概略構成図である。 受電システムの概略構成図である。 レクテナの回路を示すブロック図である。 従来のレクテナの回路を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るレクテナが設置された受電システムを含む宇宙太陽光発電システムの概略構成図である。
図１に示すように、発電衛星１は例えば静止軌道上に投入され、宇宙空間において太陽光を集光して電気エネルギーを生成し、生成した電気エネルギーをマイクロ波に変換して発電衛星１に取り付けられた送信アンテナ２を使用して地上の電力基地４へ送信する。ここで、図１では発電衛星１を１機のみの構成としているが、発電衛星１は複数機から構成されてもよい。

電力基地４には受電システム６が構成されており、受電システム６にはレクテナ装置８が備えられている。発電衛星１から送信されたＲＦ電力であるマイクロ波をレクテナ装置８で受信し、受信したマイクロ波をＤＣ電力へ変換して送電ケーブル１０を介して既存の商用電力網へ送電する。なお、マイクロ波の伝送に使用される周波数帯は２．４５ＧＨｚ帯または５．８ＧＨｚ帯である。
このように、発電衛星１から電力基地４までの距離が非常に長いため、送信アンテナ２の直径は数ｋｍに及ぶ場合があり、電力基地４に配置されるレクテナ装置８の直径も数ｋｍに及ぶ場合がある。

このような宇宙太陽光発電システムにおける受電システム６の構成について、図２に基づき説明する。
図２は、図１に示した受電システム６の構成を示したブロック図である。
レクテナ装置８はｎ個のレクテナ１２が配列されて構成されており（ｎは１以上）、レクテナ装置８には集電回路１４及びレクテナ装置８の動作状況を表示するモニタ部（モニタ手段）１６が接続されている。集電回路１４には直流電力から交流電力（以下、ＡＣ電力）に変換するＤＣ−ＡＣ変換部１８が接続されており、送電ケーブル１０を介して商用電力網に接続されて送電される。

このように構成された受電システム６では、各レクテナ１２で受信したマイクロ波を整流して変換されたＤＣ電力が集電回路部１４へ集電される。集電回路１４に集電されたＤＣ電力はＤＣ−ＡＣ変換部１８でＡＣ電力に変換され、送電ケーブル１０から商用電力網へ送電される。

図３にレクテナ装置８に配列されたレクテナ１２のブロック図を示す。
レクテナ１２は、マイクロ波を受信する受信アンテナ（受信手段）２０、３ｄＢハイブリッド回路（ハイブリッド回路）２２、コンデンサ２４、２６、２８、第１入力フィルタ３０、第２入力フィルタ３２、第１整流回路３４、第２整流回路３６、第１出力フィルタ３８、第２出力フィルタ４０、及びモニタ回路（検波回路）４２から構成される。
受信アンテナ２０は３ｄＢハイブリッド回路２２の第１端子２２ａに接続され、マイクロ波を受信する。

３ｄＢハイブリッド回路２２は入力端子として第１端子２２ａと、出力端子として第２端子２２ｂ、第３端子２２ｃ、及び第４端子２２ｄとを有しており、基本波の波長をλとすると、各辺がλ／４の長さの線路２２ｅが正方形状に結合されて構成されている。第１端子２２ａから入力されたマイクロ波は線路２２ｅを通過して等しく分割され、第２端子２２ｂ及び第３端子２２ｃに出力される。第３端子２２ｃに出力されるマイクロ波は第２端子２２ｂに出力されるマイクロ波に対して９０°位相が遅れる。第１端子２２ａから入力されたマイクロ波は、第４端子２２ｄには出力されない。

第２端子２２ｂと第１入力フィルタ３０との間、及び第３端子２２ｃと第２入力フィルタ３２との間にはそれぞれＤＣカット用のコンデンサ２４、２６が接続されている。これは、後述する第１出力フィルタ３８及び第２出力フィルタ４０で変換されたＤＣ電力が受信アンテナ２０及びモニタ回路４２側に出力されることを防止するためである。

第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２は、受信アンテナ２０から入射したマイクロ波、つまり２．４５ＧＨｚ帯または５．８ＧＨｚ帯の基本波を通過させ、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で発生した高調波を遮断する。詳しくは、第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２は、図示しないが、遮断する偶数次の高調波周波数において線路の電気長が１／４波長となる複数の開放スタブ、及び当該各開放スタブを接続する伝送線路から構成されており、当該開放スタブにより偶数次の高調波を遮断する。

第１整流回路３４及び第２整流回路３６は、第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２を通過したマイクロ波を整流する。
第１整流回路３４に接続されている第１出力フィルタ３８と、第２整流回路３６に接続されている第２出力フィルタ４０とは、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で整流されたマイクロ波をＤＣ電力に変換して出力端子４１へ出力する。また、基本波及び高調波を遮断する。第１出力フィルタ３８及び第２出力フィルタ４０で変換されたＤＣ電力は出力端子４１を介して集電回路１４へ集電される。

第４端子２２ｄとモニタ回路４２とは、ＤＣカット用のコンデンサ２８を介して接続されている。モニタ回路４２では、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で反射された基本波を検出する。モニタ回路は整流方式に基づく検波回路であり、ＲＦ−ＤＣ変換により反射された基本波を検波電圧（電圧）に変換する。ＤＣカット用のコンデンサ２８は、モニタ回路４２で変換された検波電圧が受信アンテナ２０、第１整流回路３４、及び第２整流回路３６側に出力されることを防止するために設けられている。各モニタ回路４２はモニタ部１６に接続されており、モニタ部１６でモニタすることができる。

このように接続された本発明に係るレクテナ１２の作用について以下に説明する。
送信アンテナ２から送信されたマイクロ波は受信アンテナ２０に照射される。受信アンテナ２０から入力された基本波は、３ｄＢハイブリッド回路２２の第１端子２２ａから入力される。基本波は３ｄＢハイブリッド回路２２で２分割され、一方の基本波はコンデンサ２４、第１入力フィルタ３０を通過して第１整流回路３４へ入力される。２分割された他方の基本波は、コンデンサ２６、第２入力フィルタ３２を通過して第２整流回路３６へ入力される。ここで、第３端子２２ｃには第１端子２２ａから各辺がλ／４の長さの線路２２ｅを通過して出力されるので、第２整流回路３６に入力される基本波の位相は第１整流回路３４に入力される基本波に対して９０°遅れる。

第１整流回路３４及び第２整流回路３６へ入力された基本波はそれぞれ整流されて第１出力フィルタ３８及び第２出力フィルタ４０へ入力される。一方で、第１整流回路３４及び第２整流回路３６では基本波の反射や高調波が発生する。
まず、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で反射された基本波は、第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２を通過してそれぞれ第２端子２２ｂ及び第３端子２２ｃから３ｄＢハイブリッド回路２２へ入力され、それぞれ２分割されて受信アンテナ２０及びモニタ回路４２へ出力される。第２端子２２ｂから入力される反射された基本波の位相は受信アンテナ２０端で変化しないが、第３端子２２ｃから入力される反射された基本波はλ／４の長さの線路２２ｅを通過するので、受信アンテナ２０端では第１整流回路３４で反射された基本波よりも位相が１８０°遅れる、つまり逆位相になり、受信アンテナ２０端で反射された基本波が合成されて打ち消しあう。従って、受信アンテナ２０からの再放射が抑制される。

次に、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で発生した高調波は、第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２で偶数次の高調波の通過が遮断されるので、奇数次の高調波が第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２を通過して第２端子２２ｂ及び第３端子２２ｃから３ｄＢハイブリッド回路２２へ入力され、それぞれ２分割されて受信アンテナ２０及びモニタ回路４２へ入力される。第２端子２２ｂから入力された奇数次の高調波の位相は受信アンテナ２０端で変化しないが、第３端子２２ｃから入力された奇数次の高調波はλ／４の長さの線路２２ｅを通過するので、受信アンテナ２０端で第１整流回路３４の同次の高調波よりも位相が１８０°遅れる、つまり逆位相になり受信アンテナ２０端で合成されて打ち消しあうので、再放射が抑制される。

第１整流回路３４及び第２整流回路３６で反射された基本波は３ｄＢハイブリッド回路２２で２分割されてモニタ回路４２へ入力される。各モニタ回路４２で検出した反射された基本波をモニタ部１６に入力し、モニタ部１６は各レクテナ１２の故障検知を行う。ここで、モニタ回路４２を使用した第１整流回路３４及び第２整流回路３６の故障検知について以下に説明する。

第１整流回路３４及び第２整流回路３６が正常である場合、第１整流回路３４から基本波の一部が反射され、反射された基本波はλ／４の線路２２ｅを通過し、受信アンテナ２０から入力された基本波に対して位相が９０°遅れてモニタ回路４２へ入力される。第２整流回路３６から反射された一部の基本波の位相は変化しないので、モニタ回路４２端で第１整流回路３４及び第２整流回路３６から反射された基本波は同位相となり、反射された基本波を合成した合成波の信号強度は、反射された全基本波の信号強度と略等しい大きさとなる。

第１整流回路３４または第２整流回路３６がオープン故障またはショート故障した場合、第１整流回路３４または第２整流回路３６の故障した整流回路から全ての基本波が反射されるため、検波電圧は第１整流回路３４及び第２整流回路３６が正常の場合の検波電圧よりも大きくなる。

また、第１整流回路３４及び第２整流回路３６がオープン故障またはショート故障した場合には、第１整流回路３４及び第２整流回路３６から全ての基本波が反射され、検波電圧は第１整流回路３４及び第２整流回路３６が正常の場合の検波電圧よりも大きくなる。

モニタ部１６では、モニタ回路４２で検出された検波電圧が規定値よりも大きい場合に、整流回路の故障と判定して故障検知する。
第１整流回路３４及び第２整流回路３６で整流されたマイクロ波は第１出力フィルタ３８及び第２出力フィルタ４０でＤＣ電力に変換され、集電回路１４へ集電される。

このように、本発明に係るレクテナによれば、３ｄＢハイブリッド回路２２の第１端子２２ａが接続された受信アンテナ２０から入力されたマイクロ波が同位相で出力される第２端子２２ｂに接続される第１整流回路３４と、受信アンテナ２０から入力されたマイクロ波の位相が９０°遅れて出力される第３端子２２ｃに接続される第２整流回路３６とを備える。

従って、受信アンテナ２０から入力されたマイクロ波の基本波は３ｄＢハイブリッド回路２２で２分割されて第１整流回路３４と第２整流回路３６とに等しく入力され、第２整流回路３６に入力される基本波の位相は第１整流回路３４の位相に対して９０°遅れ、第２整流回路３６で反射された基本波は、３ｄＢハイブリッド回路２２を通過することにより受信アンテナ２０端において第１整流回路３４で反射される基本波に対して逆位相になり、合成されて打ち消しあうので、受信アンテナ２０からの再放射は抑制される。

また、奇数次の高調波は第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２を通過するが、第２整流回路３６で発生した奇数次の高調波は３ｄＢハイブリッド回路２２を通過することにより第１整流回路３４で発生した同次の高調波に対して受信アンテナ２０端で逆位相となるため、受信アンテナ２０端で合成されて打ち消しあい再放射が抑制される。
これにより、周囲の環境に対する電磁波の影響を抑制することができる。

また、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で発生する高調波のうち、奇数次の高調波は上述したようにハイブリッド回路２２により合成されて打ち消されるので、第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２は偶数次の高調波を遮断するだけでよく、第１入力フィルタ３０及び第２入力フィルタ３２を簡単な回路構成とすることができる。

さらに、３ｄＢハイブリッド回路２２の第４端子２２ｄにモニタ回路４２を接続することにより、第１整流回路３４及び第２整流回路３６で反射された基本波が３ｄＢハイブリッド回路２２を通過してモニタ回路４２へ入力される。第１整流回路３４または第２整流回路３６がオープン故障またはショート故障している場合には故障した整流回路から全部の基本波が反射され、反射された基本波を合成した合成波を変換した検波電圧は、第１整流回路３４及び第２整流回路３６が正常な場合にモニタ回路４２で検出される検波電圧よりも大きくなる。また、第１整流回路３４及び第２整流回路３６がオープン故障またはショート故障した場合、第１整流回路３４及び第２整流回路３６から全ての基本波が反射されるため、モニタ回路４２で検出される検波電圧は、第１整流回路３４及び第２整流回路３６が正常な場合の検波電圧よりも大きくなる。

従って、各モニタ回路４２が接続されているモニタ部１６では、各モニタ回路４２で検出された検波電圧が入力されることにより、規定値より大きい検波電圧を出力したモニタ回路４２を故障と判定するので、各レクテナ１２に備えられている第１整流回路３４及び第２整流回路３６の自動故障検知が可能となり、受電システム６の健全性確認が容易となる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では宇宙太陽光発電システムに使用される場合について説明したが、これに限られるものではない。

１ 発電衛星
４ 電力基地
６ 受電システム
８ レクテナ装置
１２ レクテナ
１６ モニタ部（モニタ手段）
２０ 受信アンテナ（受信手段）
２２ ３ｄＢハイブリッド回路（ハイブリッド回路）
２２ａ 第１端子
２２ｂ 第２端子
２２ｃ 第３端子
２２ｄ 第４端子
３０ 第１入力フィルタ
３２ 第２入力フィルタ
３４ 第１整流回路
３６ 第２整流回路
４２ モニタ回路（検波回路）

Claims (4)

1. マイクロ波を受信する受信手段と、
   該受信手段で受信したマイクロ波を整流する第１及び第２整流回路と、
   前記受信手段と前記第１及び第２整流回路との間に介装され、前記受信手段と前記第１整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、前記受信手段と前記第２整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されたハイブリッド回路と、
   を備えたことを特徴とするレクテナ。
2. 前記ハイブリッド回路と前記第１整流回路との間に第１入力フィルタを介装するとともに、前記ハイブリッド回路と前記第２整流回路との間に第２入力フィルタを介装し、
   前記第１入力フィルタ及び前記第２入力フィルタは、偶数次の高調波を遮断することを特徴とする、請求項１に記載のレクテナ。
3. 前記ハイブリッド回路は、
   さらに検波回路に接続され、
   該検波回路と前記第２整流回路との間ではマイクロ波が同位相のまま流れる一方、該検波回路と前記第１整流回路との間ではマイクロ波が位相を９０°遅らせて流れるよう構成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載のレクテナ。
4. 単数または複数個の前記レクテナが配列されたレクテナ装置と、
   該レクテナ装置に接続され、前記各レクテナで変換された直流電力を集電する集電回路と、
   該集電回路に接続され、直流電力を交流電力に変換して商用電源網に送電するＤＣ−ＡＣ変換手段と、
   前記各レクテナの前記検波回路が接続されるモニタ手段とを備え、
   前記モニタ手段は、前記各検波回路で前記第１及び第２整流回路から反射されたマイクロ波の基本波を合成した合成波から検出した電圧値から、前記各レクテナの第１及び第２整流回路の故障を検出することを特徴とする、請求項３に記載のレクテナを用いた受電システム。

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